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橋梁吊桿疲勞問(wèn)題及分析方法研究綜述工學(xué)論文
摘要:吊桿是把橋面系的恒載與活載傳遞到拱肋的關(guān)鍵受力構(gòu)件，它的使用正常與否，關(guān)系到橋梁的整體壽命和安全。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，一方面越來(lái)越多的橋梁設(shè)計(jì)成了公軌兩用橋梁，另一方面交通流量急劇增加，由于公軌兩用橋梁結(jié)構(gòu)較輕，跨度大，在輕軌列車和很多汽車同時(shí)通過(guò)大跨度橋梁時(shí)，橋梁可能產(chǎn)生較大的振動(dòng)，吊桿的應(yīng)力變化幅度將會(huì)很大，進(jìn)行疲勞分析是十分必要的。
關(guān)鍵詞:橋梁；疲勞；吊桿；共軌兩用橋
一、橋梁吊桿的破損現(xiàn)狀
自1858年第一座帶吊桿的系桿拱橋建成以來(lái)，世界上這類橋型發(fā)展迅猛，在中國(guó)情況更是如此。1960年蘭州至新疆鐵路昌吉橋(主跨56m)建成后，我國(guó)修建了大量的帶吊桿拱橋。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，迄今為止，我國(guó)已建成帶吊桿的中、下承式拱橋達(dá)70余座，僅四川和重慶地區(qū)就達(dá)30多座。隨著鋼結(jié)構(gòu)的廣泛使用，這種趨勢(shì)將持續(xù)下去，上海盧浦大橋、拉薩柳梧大橋的建設(shè)就是最好的佐證。
中、下承式拱橋吊桿是把橋面系的恒載與活載傳遞到拱肋的關(guān)鍵受力構(gòu)件，它的使用正常與否，關(guān)系到橋梁的整體壽命和安全。然而，由于受當(dāng)前設(shè)計(jì)理論，科學(xué)技術(shù)和工業(yè)水平發(fā)展進(jìn)程的制約，橋梁吊桿吊具的設(shè)計(jì)、制造、防護(hù)、安裝、服役、維護(hù)、健康診斷、拆換乃至設(shè)計(jì)壽命的確定、使用一段時(shí)間后剩余壽命的預(yù)測(cè)等等，皆無(wú)明確、統(tǒng)一的規(guī)范。在大量的中、下承式拱橋和斜拉橋的吊桿設(shè)計(jì)、營(yíng)運(yùn)、維護(hù)、拆換、修復(fù)過(guò)程中，主要依據(jù)設(shè)計(jì)者的主觀判斷，缺乏公認(rèn)的準(zhǔn)則，以致吊桿失效造成的橋梁損壞和事故時(shí)有發(fā)生。
1967年12月15日，美國(guó)西佛吉利亞州的PoiniPleasant大橋在沒(méi)有任何征兆的情況下突然倒塌，造成橋上31輛汽車墜落，46人死亡。該橋是一主跨為213.4m的懸索橋，其大纜是眼桿鏈，眼桿材料是經(jīng)過(guò)熱處理的碳鋼，事故原因正是眼桿在孔眼處斷裂。斷裂發(fā)生的主要原因是眼桿孔眼處發(fā)生應(yīng)力腐蝕(拉應(yīng)力使晶間出現(xiàn)裂紋，裂紋憑毛細(xì)管作用，將空氣中的HZS和鹽類吸入，使腐蝕加劇)和腐蝕疲勞(裂紋因多次承受拉應(yīng)力而穿過(guò)晶粒);但孔眼位于隱蔽位置，其裂紋無(wú)法檢查也是導(dǎo)致這次事故的一個(gè)原因。從此美國(guó)將這一類橋梁封閉不用，也不許新建橋梁再用這一橋式;帕斯克.肯捏威科橋僅通車7年即被迫換索;1903年，紐約威廉斯堡橋建成后，分別于1921、1924、1963年對(duì)主纜和吊桿進(jìn)行過(guò)全面修補(bǔ);美國(guó)Pasco-Kennewick橋，建成僅3-5年，拉索失效拆換，原計(jì)劃壽命為25年;
德國(guó)漢堡KohlbrandEstuary橋通車幾年即被迫全部更換斜纜，其費(fèi)用相當(dāng)于建橋總費(fèi)用的一半，造成相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)損失。
1994年10月21日，韓國(guó)漢城的圣水橋突然斷裂。該橋是一懸臂靜定鋼析梁，主跨120m，兩端伸出的懸臂各長(zhǎng)36m，懸掛跨跨度為48m.懸掛跨兩端的吊桿截面呈工字形，翼緣板厚度為18mm，為了讓吊桿上端采用銷釘連接，應(yīng)將翼緣板與52mm厚的豎板進(jìn)行對(duì)接焊(銷釘孔是在豎板內(nèi)設(shè)置)。按照正常的工藝規(guī)則，在施焊前應(yīng)該在翼緣板和豎板都開(kāi)坡口，兩面施焊且必須熔透，然后再進(jìn)行機(jī)加工，使表面平順�？墒�，由于該橋建造時(shí)對(duì)焊接工藝的要求不嚴(yán)，施焊前沒(méi)有開(kāi)坡口。而該對(duì)接焊又是被節(jié)點(diǎn)板所蓋住，裂縫很難被檢查出來(lái)，這便是斷裂事故突然發(fā)生的原因。該橋在1979年10月建成通車，發(fā)生事故時(shí)僅僅使用了15年。
著名的委內(nèi)瑞拉Maracaibo橋，使用16年后，斜纜失效，全部換索，耗資達(dá)5000萬(wàn)美元。
中國(guó)廣州海印大橋建成6年后，斜拉索斷裂導(dǎo)致全部換索;濟(jì)南黃河公路橋使用13年后，20%索面嚴(yán)重銹蝕，不得不換掉272根舊索，安裝248根新索，歷時(shí)62天;虎門(mén)大橋剛剛建成便發(fā)現(xiàn)索有銹蝕;紅水河鐵路橋使用20年后，因銹蝕嚴(yán)重，不得不全部換索。
2001年11月7日清晨，宜賓金沙江橋連續(xù)橋面兩端的短吊桿先后斷裂，局部橋面墜落江中。該橋?yàn)橹谐惺焦皹�，采用飄浮式連續(xù)橋面，橋面兩端設(shè)伸縮縫，由于短吊桿離伸縮縫的距離太近，當(dāng)橋面在斷縫處發(fā)生反復(fù)的縱向位移時(shí)，短吊桿反復(fù)發(fā)生剪切變形，產(chǎn)生較大的應(yīng)力幅值，導(dǎo)致其發(fā)生疲勞斷裂。其次，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使?jié)撛诘钠诹鸭y開(kāi)裂處易于被發(fā)現(xiàn)，但該橋的開(kāi)裂點(diǎn)卻封閉在硫磺粘結(jié)料中，裂紋不易被發(fā)現(xiàn)，而且由于封閉設(shè)計(jì)的不合理，造成雨水常年積于其中，再加上大氣的腐蝕性介質(zhì)又加速了這一開(kāi)裂過(guò)程。該橋是在1990年7月1日正式通車，事故發(fā)生時(shí)僅僅使用了11年半。
二、橋梁吊桿的疲勞破壞機(jī)理
所謂疲勞，通常指在交變荷載的反復(fù)作用下，結(jié)構(gòu)在低于名義應(yīng)力情況下斷裂破壞的現(xiàn)象。
一般地說(shuō)，疲勞破壞經(jīng)歷三個(gè)階段:裂紋的形成、裂紋的緩慢發(fā)展和最后的迅速斷裂。鋼結(jié)構(gòu)主要是最后兩個(gè)階段，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)內(nèi)總會(huì)有內(nèi)在的細(xì)小缺陷，這些缺陷促使裂紋的形成。
疲勞破壞的產(chǎn)生必須是應(yīng)力反復(fù)、拉應(yīng)力及塑性應(yīng)變?nèi)咄瑫r(shí)存在。3者缺一均不能形成疲勞破壞。滿足這三個(gè)條件，應(yīng)力平均值即使在抗拉強(qiáng)度或屈服點(diǎn)以下也可能產(chǎn)生疲勞破壞。
腐蝕介質(zhì)與循環(huán)應(yīng)力交互作用，大大降低了材料和構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度。腐蝕介質(zhì)和靜應(yīng)力共同作用產(chǎn)生的腐蝕破壞稱為應(yīng)力腐蝕;腐蝕介質(zhì)與循環(huán)應(yīng)力先后作用產(chǎn)生的疲勞破壞稱為預(yù)腐蝕疲勞;腐蝕介質(zhì)與循環(huán)應(yīng)力同時(shí)作用產(chǎn)生的腐蝕破壞現(xiàn)象稱為腐蝕疲勞。應(yīng)力腐蝕是一種由于緩慢的裂紋擴(kuò)展而導(dǎo)致的破壞過(guò)程，它與疲勞破壞過(guò)程很相似，但這時(shí)只有靜應(yīng)力，而無(wú)循環(huán)應(yīng)力，所以又稱為靜疲勞。預(yù)腐蝕疲勞是腐蝕介質(zhì)與循環(huán)應(yīng)力未同時(shí)作用，它只是兩種過(guò)程的機(jī)械組合。而腐蝕疲勞則是一種腐蝕介質(zhì)和循環(huán)應(yīng)力聯(lián)合作用、互相促進(jìn)的破壞過(guò)程。在腐蝕疲勞時(shí)，循環(huán)應(yīng)力增強(qiáng)介質(zhì)的腐蝕作用，而腐蝕介質(zhì)又加快了循環(huán)應(yīng)力下的疲勞破壞，因而二者共同作用更加有害。
對(duì)于腐蝕疲勞，按照腐蝕介質(zhì)的狀態(tài)和性質(zhì)，又可分為氣相疲勞和水介質(zhì)疲勞。嚴(yán)格講來(lái)，只有在真空中的疲勞才是純疲勞�？諝獗旧砭褪歉g介質(zhì)，材料在空氣中短壽命時(shí)，上述4種情況的疲勞強(qiáng)度相差很小;而長(zhǎng)壽命時(shí)則有很大差別，按疲勞強(qiáng)度由高到低的順序?yàn)?真空疲勞、空氣疲勞、預(yù)腐蝕疲勞和腐蝕疲勞。長(zhǎng)壽命時(shí)的腐蝕疲勞強(qiáng)度隨試樣材料和腐蝕介質(zhì)的不同，可以是空氣疲勞強(qiáng)度的10%～100%，碳鋼和中低合金鋼在腐蝕介質(zhì)中疲勞極限降低1/3～8/9，而不銹鋼僅降低10%。
系桿拱橋的吊桿破損是疲勞和腐蝕共同作用的結(jié)果，在反復(fù)高應(yīng)力的作用下，吊桿的疲勞為腐蝕創(chuàng)造條件，加速腐蝕的進(jìn)行;反過(guò)來(lái)，腐蝕會(huì)降低吊桿的抗疲勞能力，使得吊桿更加容易發(fā)生疲勞破損。因此，在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，不僅僅要使吊桿滿足強(qiáng)度要求，而且要使吊桿具有足夠的抗疲勞能力。
三、疲勞分析方法的研究現(xiàn)狀
隨著交通運(yùn)輸?shù)牟粩喟l(fā)展以及橋梁跨度不斷增加，交通流量以及車型不斷變化，同時(shí)焊接及低合金結(jié)構(gòu)逐步被引用于橋梁中，致使橋梁的疲勞問(wèn)題日漸突出，吸引了約來(lái)越多的學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了研究。
陳兵，趙雷等在對(duì)拉薩柳梧大橋吊桿進(jìn)行疲勞壽命研究時(shí)，采用童樂(lè)為等建立的城市橋梁荷載譜，通過(guò)每類車輛對(duì)吊桿的影響線加載獲取吊桿的應(yīng)力歷程，再由每類車型出現(xiàn)的概率和總的交通量得到吊桿的應(yīng)力譜，最后通過(guò)已有的S-N曲線和Palmgren一Miner準(zhǔn)則得到吊桿的剩余壽命。
黃華鋼采用Matlab程序，利用童樂(lè)為等建立的城市橋梁荷載譜筋及BS540O荷載譜模擬了隨機(jī)車流，通過(guò)隨機(jī)車流對(duì)某20m跨簡(jiǎn)支T梁加載對(duì)該混凝土梁橋的動(dòng)力性能進(jìn)行了分析，并對(duì)該梁的混凝土及鋼筋進(jìn)行了疲勞壽命評(píng)估。
王春生在對(duì)鉚接鋼橋進(jìn)行剩余壽命與使用安全評(píng)估時(shí)，首先通過(guò)實(shí)橋進(jìn)行交通流量進(jìn)行調(diào)查獲取了該橋的車輛荷載譜，通過(guò)該荷載譜模擬了通過(guò)橋梁的隨機(jī)車流，最后鉚接鋼橋進(jìn)行剩余壽命和安全評(píng)估。
鄭曉燕在對(duì)吳堡黃河大橋桿件進(jìn)行分析時(shí)，首先依據(jù)交通部門(mén)提供的數(shù)據(jù)建立了荷載譜，基于蒙特卡洛原理模擬了通過(guò)橋梁的隨機(jī)車流，將車流在構(gòu)件影響線上加載獲得應(yīng)力歷程，采用雨流法得到桿件的應(yīng)力譜，最后通過(guò)選取S-N曲線對(duì)桿件進(jìn)行了剩余壽命評(píng)估。
綜上所述，同時(shí)考慮鐵路荷載和公路荷載，當(dāng)前對(duì)公軌兩用大橋在列車和汽車同時(shí)作用下吊桿的疲勞問(wèn)題的研究還很少。而且隨機(jī)車流也未考慮車道分布的影響。因此有必要展開(kāi)大跨度橋梁同時(shí)在輕軌及汽車作用下吊桿的疲勞分析。
參考文獻(xiàn)：
[1]英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS5400(1978一1983).鋼橋、混凝土橋及結(jié)合橋(第一篇:疲勞設(shè)計(jì)使用規(guī)則).西南交通大學(xué)出版社.
[2]辛濟(jì)平，萬(wàn)國(guó)朝，張文，鮑衛(wèi)剛等譯.美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范，第一版，1994.北京:人民交通出版社.1997.
[3]中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范.中國(guó)鐵道出版社，2005.
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